河北平山M_%28S%294.3地震前地震活动变化.pdf
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1、陈婷,孙丽娜,王晓山,等.河北平山MS4.3 地震前地震活动变化 J.华北地震科学,2023,41(3):60-66.doi:10.3969/j.issn.10031375.2023.03.009.CHEN Ting,SUN Lina,WANG Xiaoshan,et al.Analysis of Seismic Activity Variation before the Pingshan MS4.3 Earthquake in HebeiProvinceJ.North China Earthquake Sciences,2023,41(3):60-66.doi:10.3969/j.issn.
2、10031375.2023.03.009.河北平山 MS4.3 地震前地震活动变化陈 婷1,2,孙丽娜1,2,王晓山1,2,张新东1,2*(1.河北红山巨厚沉积与地震灾害国家野外科学观测研究站,河北 邢台 054000;2.河北省地震局,石家庄 050021)VRTLVRTLVRTL摘要:为定量分析 2022 年 10 月 3 日平山 MS4.3 地震前地震活动变化,改进了“区域-时间-尺度”(RTL)算法,提高了与节点距离和时间较近的地震事件的权重,降低了距离和时间较远的地震事件的权重;采用改进的 RTL 算法分别扫描震中值时间曲线和区域值演化图像,结果显示:平山 MS4.3 地震前震中西部
3、和西南方向地震活动存在平静异常,同时发现 2020 年 2 月 23 日河北平山 ML3.5 地震前震中南部存在地震平静异常;特征距离和震级下限对值扫描结果有一定的影响,在地震活动复杂地区,特征距离对扫描结果的影响更大。该RTL 算法可定量分析地震活动变化情况,为弱震区震情跟踪和地震危险性分析工作提供方法和依据。关键词:平山 MS4.3 地震;RTL 算法;地震活动;异常演化中图分类号:P315.6 文献标志码:A 文章编号:10031375(2023)03006007doi:10.3969/j.issn.10031375.2023.03.009 0 引言据中国地震台网测定,2022 年 10
4、 月 3 日 1 时49 分,河北石家庄市平山县(38.37 N,113.73 E)发生 MS4.3 地震,震源深度 10 km。震中位于山西断陷带和太行山山前断裂带之间的太行山隆起区,太行山隆起区地处华北地块西升东降的结合部位,结构完整简单,内部断层较少1。震中 50 km 范围内不存在已知断层,周边地震活动较弱,有历史记录以来 震 中 50 km 范 围 内 未 发 生 过 5 级 以 上 地 震,1970 年以来震中 50 km 范围内仅有一次 4 级以上地震,为 1987 年 3 月 21 日河北省石家庄市平山县MS4.0 地 震,距 本 次 地 震 约 47 km,因 此 平 山MS
5、4.3 地震为 1970 年以来周边 50 km 范围内最大地震。“区域-时间-尺度”(Region-Time-Length,简称 RTL)算法是通过扫描地震目录资料定量分析地震活动水平相对变化2,可应用于回顾性震例检验和地震危险性分析,在中国华北、青海、甘肃、福建、川滇、新疆等地区回顾性震例检验中取得了较好效果3-8。蒋海昆等3,9采用改进的 RTL 算法回顾性检验了华北地区 19731990 年间的 35 个 MS5.0以上地震,其中 27 例检测到异常,大部分在异常出现极值或转折后 1 年内发震;孙丽娜等10采用归一化 RTL 算法对河北地区 1970 年以来的 MS5.0 以上地震进行
6、回顾性检验,发现 4 次地震震前出现地震活动平静异常,1 次地震震前出现地震活动增强异常。虽然平山 MS4.3 地震震级未达到 5.0,但该地震发生在弱震区,为 1970 年以来周边 50 km 范围内的最大地震。本文利用改进的 RTL 算法研究平山MS4.3 地震前的地震活动变化,可为弱震区震情跟踪和地震危险性分析工作提供方法思路。1 研究方法VRTL任意点(x,y)在 t 时刻的 RTL 的值定义为减去背景值后震中距函数、时间函数和破裂尺度函数的乘积,基于 RTL 算法基础公式2,参考蒋海昆等9提出的归一化算法,得到计算公式:收稿日期:2023-01-04基金项目:河北省地震科技星火计划项
7、目(DZ20200827054);河北省省级科技计划(22375406D)第一作者简介:陈婷(1990),女,山东聊城人,工程师,主要从事地震活动性研究.E-mail:chenting_*通讯作者简介:张新东(1964),男,正高级工程师,主要从事地震监测和震防工作.E-mail:第 41 卷第 3 期华 北 地 震 科 学Vol.41,No.32023 年 7 月NORTH CHINA EARTHQUAKE SCIENCESJul.,2023R(x,y,t)=ni=1exp(rir0)Rtr(x,y,t)T(x,y,t)=ni=1exp(ttit0)Ttr(x,y,t)L(x,y,t)=ni
8、=1liriLtr(x,y,t)VRTL(x,y,t)=R(x,y,t)R(x,y,t)maxT(x,y,t)T(x,y,t)maxL(x,y,t)L(x,y,t)max(1)式中:地震破裂尺度 l 由下式计算11:l=101.13M4.382.21(2)rir0tilit0t2t0RtrTtrLtr式中:为点(x,y)到第 i 个地震的距离;为特征距离;和 分别为第 i 个地震的发震时间和破裂尺度;为特征时间;(,t)为一个计算周期;、分别为 R、T 和 L 的动态期望。考虑到地震目录的完整性问题,在实际计算中引入约束条件:MiMminriRmax=2r0tiTmax=2t0did0(3)M
9、iMmindid0式中:为第 i 个地震的震级;为震级下限;为第 i 个地震的深度;为截止深度;n 为满足式(3)约束条件的地震个数。ritig=exp(h)g=exp(h2)将式(3)中 和 的范围带入式(1)中 R 和 T 的计算公式的右边第一项,可得震中距和时间的衰减函数为,0h2,图 1 中实线即为该衰减函数的曲线。在地震活动复杂地区,尤其是周边存在地震活跃区的弱震区,RTL 扫描结果容易受到周边地震活动的影响,增加距节点距离较近地震事件权重,降低距节点较远地震事件权重,可突出节点附近地震活动情况。为此,本文将衰减函数改为,0h2。修改后的衰减曲线如图 1 虚ri=r0ti=tt0线
10、所 示,虚 线 与 实 线 相 交 于 h=1.0,此 时,。与实线相比,以 h=1 为界虚线前半段衰减更慢,后半段衰减更快,即提高了与(x,y,t)距离和时间较近(1 倍特征距离和 1 倍特征时间内)的地震事件的权重,降低了与(x,y,t)距离和时间较远(12 倍特征距离和 12 倍特征时间)的地震事件的权重。改进的 RTL 计算公式为:R(x,y,t)=ni=1exp(rir0)2Rtr(x,y,t)T(x,y,t)=ni=1exp(ttit0)2Ttr(x,y,t)L(x,y,t)=ni=1liriLtr(x,y,t)VRTL(x,y,t)=R(x,y,t)R(x,y,t)maxT(x,
11、y,t)T(x,y,t)maxL(x,y,t)L(x,y,t)max(4)VRTLVRTLVRTL值是分别对 R、T 和 L 进行归一化再做乘积得到的,以 0 为期望,值的范围为11。当0 时,代表 t 时刻的地震活动水平比 t 时刻之前的背景水平低,地震活动相对平静;反之,当 t 时刻的0 代表 t 时刻的地震活动水平比 t 时刻之前的背景水平高,地震活动相对增强。2 资料选取VRTL所用目录资料来源于中国地震台网中心。地震目录范围为平山 MS4.3 地震震中周边约 2(36.440.3 N、111.7115.7 E)。参考前人研究不进行余震剔除,而是采用“被动避让”的方式3,即要求研究时段
12、内不包含 MS4.3 地震。在条件允许的情况下 RTL 算法扫描资料选取时段一般取震前 6 年3,本文选取资料时段为 2016 年 10 月 3 日至 2022 年10 月 2 日,所选地震资料震中分布见图 2。虽然值 计 算 时 已 对 震 中 距 进 行 加 权,但 平 山MS4.3 地震位于弱震区,震中附近地震较少,而区域西部的山西地震带和东南方向的邢台老震区地震极为活跃,对计算结果的影响不容忽视。山西地震带和邢台老震区与平山 MS4.3 地震位于不同的构造区,平山 MS4.3 地震位于太行山隆起区,山西地震带位于山西隆起区,邢台老震区位于渤海湾盆地,太行山隆起区为山西隆起区和渤海湾盆地
13、的边界。震中 60 km 范围基本不会受到这 2 个地震活跃区的影响,震中 80 km 和 100 km 范围会受到山西地震带的影响,震中 120 km 范围则会同时受到山西地震带 1.00.80.60.40.20.51.00.52.00ghg=exp(h)g=exp(h2)图 1 衰减函数曲线Fig.1 The curve of attenuation function3 期陈婷,等:河北平山 MS4.3 地震前地震活动变化61 和邢台老震区的影响。为尽量降低这 2 个地震活跃区的干扰,选择图 2 中红线圈出的区域作为研究区,分析研究区内的地震活动变化。研究区为平山MS4.3 地震附近约 1
14、,尽量避开了山西地震带和邢台老震区,研究区内北部地震活动较弱,南端山西昔阳小震活动频繁,昔阳小震活跃区位于太行山隆起区的主要活动断裂晋获断裂带上的应力敏感区域12,曾多次发生小震群,平山 MS4.3 地震前山西昔阳小震活动变化情况值得注意。VRTLMmin首先对研究区内地震目录进行完整性分析,根据 lgN-M 曲线,采用最大曲率法13分析最小完整性震级 MC(图 3),MC值为 ML0.9。在进行值扫描时,震级下限ML0.9 即可。103102101100地震个数0.500.51.01.52.02.53.03.54.0震级(ML)MC=0.9,b=0.70 图 3 震级-频度图Fig.3 Th
15、e distribution of frequency-magnitude 3 结果分析选择研究区内(图 2 中红线圈出区域)地震目录进行扫描。参考前人扫描参数3,令特征时间t0VRTLVRTLVRTLd0=12 个月,即一个计算周期需要 24 个月地震目录,滑 动 步 长 设 为 10 天。RTL 算 法 扫 描 时 段 为2018 年 10 月 3 日至 2022 年 10 月 2 日,扫描时长共1 460 天,理想状态下每个节点可扫描出的值为 147 个,由于值受背景值的影响,扫描时值不足 147 个的节点将舍弃。本文选用地震震源深度范围为 043 km,均是浅源地震,因此不限制。为了保
16、证计算结果的可靠性,要求每个扫描时间段内地震个数不少于 10 个。3.1震中地震活动分析Mminr0VRTL首先,分析改进的 RTL 计算公式的优越性,震级下限取 ML0.9,特征距离取 30 km,分别采用公式(1)和公式(4)扫描平山 MS4.3 地震震中值(图 4)。2 个公式扫描出的曲线总体形态基本一致,震前 2 年 9 个月左右出现地震平静异常,异常持续时间较短,震前 4 个月再次出现地震平静异常,异常持续过程中发震。2 个公式在震前 4 个月扫描出的异常幅度较大(0.8)且异常形态基本一致,公式(4)在震前 2 年 9 个月扫描出的地震平静异常幅度为0.1,远远小于同时期公式(1)
17、扫描出的地震 平 静 异 常 幅 度 0.4,说 明 该 平 静 异 常 与 平 山MS4.3 地震震中距离较远或与扫描时刻间隔时间较长,考虑到该异常结束时间与平山 MS4.3 地震发震时刻间隔 2 年 7 个多月,认为该异常与平山 MS4.3地震无关,该异常将在区域地震活动部分具体分析。该异常结束后至 2021 年,公式(4)扫描曲线比公式(1)扫描曲线波动小、更为平稳。与原公式相比,改进后的 RTL 计算公式提高了与(x,y,t)距离和时间较近的地震事件的权重,降低了与(x,y,t)距离和时间较远的地震事件的权重,在分析地震活动变化时更能突出震中附近地震活动情况。r0分析特征距离对扫描结果
18、的影响。将震级下 40N112E113E114E115E39N38N37N平山 Ms4.3 地震断层研究区震中 60 km震中 80 km震中 100 km震中 120 kmML0.00.9ML1.01.9ML2.02.9ML3.03.9ML4.04.9 图 2 研究区及周边震中分布图Fig.2 Epicenter distribution in study area and its surrounding areas 0.40.200.20.40.60.81.0VRTL20192020202120222023年份公式(1)公式(4)图 4 公式改进前后平山 MS4.3 地震前 VRTL值曲线
19、Fig.4 The VRTL curve before and after the formula is improvedbefore the the Pingshan MS 4.3 earthquake62华 北 地 震 科 学41 卷 Mminr0VRTLr0r0r0r0r0VRTLr0r0r0r0r0r0r0限设为 ML0.9,分别将特征距离设为 30 km、40 km、50 km、60 km,扫描平山 MS4.3 地震震中值(图 5),不同特征距离扫描得到的曲线整体形态基本一致,均可扫描出震前 2 年 9 个月左右地震平静异常和震前 4 个月地震平静异常,但异常幅度差别较大。震前 2
20、年 9 个月地震平静异常幅度随着特征距离的增大而增大,取 30 km 时(图 5 红色曲线)异常幅度最小,取 40 km(图 5 绿色曲线)与50 km(图 5 绿色曲线)时异常幅度中等,取 60 km时(图 5 黑色曲线)异常幅度最大,进一步说明该平静异常距离平山 MS4.3 地震震中较远。震前 4 个月地震平静异常曲线形态更为复杂,取 30 km 时异常幅度最大,取 40 km 时异常幅度最小且震前7 个月值开始快速上升,推测距平山 MS4.3 地震 60 km 以外某区域震前 7 个月可能存在地震活动增强现象,导致取 40 km 时震前 4 个月地震平静异常幅度相对降低,取 50 km
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